JPS59224503A - 角度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［１１発明の技術分野 本発明は負荷の回転あるいは移動を誘導電動機等の電動
機を用いて行う機構において、負荷の回転角あるいは位
置の値を、電動機の電流を制御する電気回路にフィード
パンクして制御する等の目的に有用な負荷の回転角ある
いは位置を１定する装置に関するものである。

（２）従来技術とその問題点 前記の技術分野で角度あるいは位置を計測するにはポテ
ンショメータとエンコーダとが通常用いられている。

まずポテンショメータについて述べる。ポテンショメー
タは円環状又は棒状の抵抗体に摺動ブラシが接触するこ
とによって、抵抗体を電圧分割器として使用するもので
ブラシの位置に応じて出力電圧が変化するため、ブラシ
を負荷に連動させておけば負荷の回転角あるいは位置を
電圧値とじてとり出すことができる。もし計測の結果を
ディジクル信号に変換したい場合は、例えば半導体集積
回路から構成されているＡ／Ｄ　変換器に出力電圧を人
力すればよい。ポテンショメークによる測定は、負荷の
回転角あるいは位置に対して出力電圧が直線的に変化す
るため、両者の関係が一意的に定まる。又計測値が電子
回路の情報記憶に頼ることが全くないので、電源が一度
停止した後でも直ちに旧の状態に復帰するという利点が
ある。然しその反面Ａ／Ｄ　変換器の特性は温度、部品
のバラツキ等によって限界があるため、測定の分解能や
直線性等、精度上エンコーダよりも劣る。

次にエンコーダとしては光電式のものがよく使用される
。この装置は一定の間隔でスリットを設けた円板の両側
に発光素子と受光素子を置き、スリットを通過する光に
よって９０度位相の異なる２相のパルスが得られるよう
にしておけば円板の回転方向がわかる。この際スリット
を直線的に並べておくと負荷の直線的な移動も測定でき
る。エンコーダはパルス数を電子回路により計数して回
転角あるいは位置を測定するものであるがら相対値しか
得られない。すなわち絶対的な値を得るためには負荷を
予め所定の位置まで動かしてパルスカウンタに定めた値
をロードしてから計測には入ることになる。又、ポテン
ショメークと違って電子回路から構成されるカウンタを
用いているため一度電源が停止するとその内容は失われ
るので絶対値を測定するための前記の動作は電源の供給
停止時には少なくとも、その再開の都度行わなければな
らない。従ってポテンショメータを用いる場合よりも操
作が複雑になることは避けられない。

然しエンコーダを用いる測定には次のような利点もある
。すなわち負荷を電動機で駆動する場合電動機の回転を
ギヤー等で減速し必要とあれば回転運動を直線運動に変
換するのが通例である。エンコーダはカウンタがオーバ
フローしない限り、その構造上３６０　度以上回転して
も、そのまま計測を続けることができるので通常電動機
のシャフトに直結され、減速された電動シャフトの回転
による発生パルスをカウントするので分解能が向上する
と共に、ギヤー等の機械的な減速機構は、負荷の位置に
テ関係なく一定なので計測値の直線性にも優れている。

Ｂ〕発明の目的 本発明の角度計測装置は、まづ大まかな角度を絶対角度
値としてポテンショメークで計測シ、この値をさらに分
解能の高いエンコーダを用いて補正することによって、
正確な絶対角度の計測を可能ならしめることを目的とし
たものである。

〔（転）発明の構成 第１図に本発明の機械的な構成を示す。負荷２を回転軸
１の廻りに回転駆動し、回転角θを制御することを目的
としている。モータ５の出力軸と回転軸ｌとは歯車３及
び４・で結合され、モーフ軸の回転を減速して回転軸ｌ
に伝えている。負荷２の回転にはある可動範囲がありそ
の範囲内で回転するものとする。負荷２にはポテンショ
メータ７が取りつけられており、負荷２０回転に応じて
その人力軸が回転する。ポテンショメータ７の出力電圧
は負荷の回転角θに対して直線的に変化する。

またモータ５の軸にはエンコーダ６が取りつけられ、モ
ータ軸が回転すると１回転につきＮ１個のパルス信号を
出力する。ＮＰはエンコーダ６によって定まる数で、９
０度位相の異なる２相のパルス信号を比較することによ
って負荷２の回転方向も判別できる。

〔５〕実施例 第２図に示す実施例の構成図においてはポテンショメー
ク７のその出力はＡ／Ｄ　変換部１１に入力されディジ
クル信号に変換される。ポテンショメータ７による計測
は負荷の大まかな回転角を測定すれば充分であって、従
ってその分解能は高くなくてよく、例えばエンコーダ入
力軸の１回転ｋｍ相当する角度の１／２　　の角度が検
出できる程度でよい。つまり負荷が可動範囲の一端から
他の一端まで動くとき、エンコーダがＮｏ　回転すると
すればＡ／Ｄ　変換部１１の分解能は可動範囲の２Ｎ。

だけ必要になる。

次に１／２倍部１３はＡ／Ｄ変換部１１の出力を１／２
　倍し小数点以下は切り捨てる。ＮＰ倍郡部１４］７２
倍部１３の出力をＮＰ倍する部分でＮＰハエンコーダ６
０１回転あたりの発生パルス信号数である。

一方エンコーダ６の出力は、方向判別部１７でその回転
角及び回転方向が判別され、計数部１８はエンコーダ６
から出力され、方向が判別されたパルス信号の個数を計
数する。すなわち正の方向の回転を表わすパルスが入力
された場合は計数結果を１だけ増加させ、負の方向であ
った場合には１だけ減少させる。この計数部でカウント
できる数の最大値は、Ａ／Ｄ　変換部の出力を補間でき
る程度であればよい。本装置ではゼロからＮＰ−１まで
の大きさの数を計数できるものを用いる。計数内容がＮ
、−１の時に、さらに正方向のパルス入力があった場合
には計数内容はゼロに戻る。又、計数内容がゼロの時に
負方向のパルスが入力した場合には計数内容はＮｐ−１
に変化するものとする。

負数変換部１６は計数部１８の内容を負の数に変換する
。すなわちゼロから（Ｎ、／２　）−１までの入力は正
の数としてそのまま出力されるがＮＰ／２Ｐ上の数が入
力された場合は、［入力Ｊ　−ＮＰ＝「出力」の式に従
って負の数が出力される。ただし、負数変換部１６は偶
奇判定部１２の出力によってその動作が制御されており
、Ａ／Ｄ　変換部１１の出力がゼロを含めて偶数の時に
は負数変換を行うが、出力が奇数である時には負数変換
を行わない。すなわちゼロからＮＰ−１までの大きさの
数が入力された場をはそのままゼロからＮ、−１までの
正の数として出力する。加算部１５はＮＰ倍郡部１４出
力と負数変換部１６の出力を加算しその結果を角度計測
結果として出力する。

次に本装置の動作を第３図を用いて説明する。

負荷の回転角θが変化した時のＡ／Ｄ　変換部の出力（
以下Ａ／Ｄ　出力と記す）と、計数部の出力（以下カウ
ンタ出力と記す）の変化例を示したのが本図である。負
荷が可動範囲の一端にある時θ−〇とし、他の一端に向
って回転してゆくときにθが増加してゆくものとする。

θが増加するにつれてカウンタ出力も増加してゆくが、
この例ではＮＰ＝６４となっている。従って計数部の計
数できる最大値は６３でよい。第３図では６ビツトのパ
イナ、リーカウンタ出力による２進表示を示しである。

一方Ａ／Ｄ　出力もθの増加に従って増大するが０００
から００１への変化は、カウンタ出力がｏｏｏｏｏｏか
ら０１１１１１までの間で発生するように、以下同様に
Ａ／Ｄ　出力の変化と、カウンタ出力の最上位ビットの
変化が交互に起きるようにポテンショメータの取り付は
角とＡ／Ｄ　変換部の変換係数を調整しておく。このよ
うな装置においてＡ／Ｄ　出力が偶数の場合、すなわち
Ａ／Ｄ出力の最下位ビットが０である場合はカウンタ出
力は１１１１１１から００００ｏＯへ変化する変化点（
以下ゼロ点と呼ぶ）を境にしてその上側と下側に分か乞
る。上側ではその最上位ビットは０であり、■になるこ
とはない。下側ではその最上位ビットは必ず１である。

またＡ／Ｄ　出力は偶数であるから、負数変換部は、負
数変換を行う。すなわち、カウンタ出力がゼロ点より上
側であればそれを正の数とみなし、ゼロ点より下側であ
ればそれを負の数に変換する。従って、負数変換部の出
力は、ゼロ点を中心としたθの正負の偏差を与えること
になる。一方、１／２倍部の出力は、２進数の場合は、
最下位ビットをとり去ったもの、すなわち、図中の破線
の左側の部分となる。ＮＰ倍郡部は、この値を６４倍す
る。すなわち、この出力は、ゼロ点におけるθの値に比
例した値となり、その係数は、カウンタ出力の係数と相
等しい。

従って、負数変換部の出力と、Ｎ１倍部の出力を加算し
たものは、ゼロ点を中心に、Ａ／Ｄ　変換部の出力を計
数部の出力で正確に補正したものとなる。また、Ａ／Ｄ
　出力が奇数である場合、すなわちその最下位ビットが
１である場合は、負数変換部は機能しない。

すなわち、カウンタ出力の最上位ビットが１であっても
、それを正の数として出力する。従ってこの場合の負数
変換部の出力は、Ａ／Ｄ　出力の１つ下の範囲内にある
ゼロ点からの正の偏差を与える。従って、この場合も負
数変換部の出力と、Ｎ。

郡部の出力を加算したものは、θθ値を正しく表わした
ものとなる。

上の例では、ＮＰ　を２の整数乗の形で与え、計数部に
はバイナリカウンタを用いるとして説明を与えたが、そ
うでない場合にも、全く同様の考え方で動作が理解でき
る。しかし、Ｎ、を２の整数乗の形に選べば、計数部に
バイナリカウンタを使用でき、ＮＰ倍郡部負数変換部等
が特に簡単になるという利点がある。

第４図にＮＰを２のｎ乗の形に選んだ時の本装置の構成
を示す。ただしｎは整数とする。Ａ／Ｄ羊 変換器は、その出力を２進数で出力する。従ってその出
力を２分の１にし、端数を切り捨てる操作は、単に、最
下位のビットを捨てるだけでよい。

１１ また、ＮＰ倍にする操作はム倍する操作であるから、ｎ
ビット左にシフトし、下位のｎビットにゼロを代入すれ
ばよい。従って、Ａ／Ｄ　　レジスタ２５の下位のｎビ
ットにゼロがロードされるようにし、その上位にＡ／Ｄ
　変換器２１の出力のうち最下位ビットを除いたものを
ロードすればよい。

一方、偶奇の判定は、Ａ／Ｄ　変換器の出力のうち、最
下位ビットをそのまま利用すればよい。

また、カウンタ２２は、ｎビットのバイナリカウンタで
ある。この出力は、カウンタレジスタ２７の下位ｎビッ
トにロードされる。その上位のビットには、負数変換を
行う場合にはカウンタ２２の出力の最上位ピッ１−をコ
ピーし、負数変換を行わない場合には、ゼロをロードす
ればよい。従ってＡ／Ｄ　変換器２１の出力の最下位ビ
ットをインバータ２３で１と０を反転し、その出力とカ
ウンタ２２の出力の最上位ビットをアンドゲート２４で
結んだ出力を、カウンタレジスタ２７の下位ｎビットを
除く他のビットにロードすればよい。Ａ／Ｄレジスクと
カウンタレジスタの出力を加算器２６で加算した結果は
、負荷の角度を正確に計測した結果となる。

印〕発明の効果 エンコーダを用いた従来の方法と同等の分解能を有しな
がら、いかなる負荷位置で電源を投入されても、エンコ
ーダの一回転以内のうちにカウンタをイコシャライズし
、正しい計測結果を与えることができる。

すなわち、高い分解能と、装置の使用の容易さを両立さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置を適用する機械的構成を示す図で
ある。 第２図は本発明の装置の構成を示す図である。 第３図は負荷が回転した時のＡ／Ｄ　変換部の出力と計
数部の出力の変化を示す図である。 ２″′ 第４図はＮＰをムとした時の本装置の実施例を示す図で
ある。 １・・・・・・負荷駆動軸　　　　　１１・・・・・・
Ａ／Ｄ変換部２・・・・・・負　　　荷　　　　　１２
・・・・・・偶奇判定部３・・・・・・歯　　　車　　
　　　１３・・・・・・Ｖ倍　部４・・・・・・・歯　
　　車　　　　　１４・・・・・・ＮＰ倍　部町・・・
・・・モ　−　タ　　　　　１５・・・・・・加　算　
部６・・・・・・エンコーダ　　　　　１６・・・・・
・負数変換部７・・・・・・ポテンショメーク　　　１
７・・・・・・方向判別部１８・・・・・・計数部 ２１・・・・・・Ａ／Ｄ変換器 ２２・・・・・・カウンタ ２３・・・・・・インバータ ２４・・・・・・アンドゲート ２５・・・・・・Ａ／Ｄ　レジスフ ２６・・・・・加算機 ２７・・・・・・カウンクレジスク （ロ）・・・・・・Ａ／Ｄ出力カラム （Ｂ）・・・・・・カウンク出力カラムθ・・・・・・
負荷の角度 方２０ （Ａ）　　　　（Ｂ） 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）モータと、モータの回転を減速して負荷を回転又は
   移動させる減速機構を有する機械装置において、モーフ
   軸に取り付けたエンコーダの出力信号と、負荷に取り付
   けたポテンショメータの出力信号を合成して、負荷の角
   度の計測値を得る角度計測装置であって、ポテンショメ
   ータの出力電圧を。 エンコーダの２分の１回転に相当する角度だけ負荷が回
   転するごとに、その出力が１だけ変化するような分解能
   で、ディジタル信号ＮＡに変換し、この値を２分の１倍
   して端数を切り捨てて整数化した値をさらにエンコーダ
   の１回転のパルス数ＮＰ倍した値と、エンコーダの出力
   を０からＮＰ−１までの値をとる計数器で計数した結果
   Ｎｃ　をＮＡが奇数の場合はそのまま、ＮＡが偶数の場
   合は０とＮ。 のほぼ中央の値ＮＭ　と比べ、０≦Ｎｃ＜ＮＭ　　の場
   合はそのまま、ＮＭ≦Ｎｃ≦Ｎ、−１と場合はＮ。−Ｎ
   ｐとして負数に変換した値とを加算した結果を負荷の角
   度の測定値とすることを特徴とする角度計測７１・　　
   　　　　　　　　　２゜ ２）ｍ、ｎ　　を整数とするとき、１回転当リム個のパ
   ルスを出力するエンコーダと、その回転の方向を判別す
   る方向判別部と、その出力に従ってパルスの数を回転方
   向も含めて計数するｎビットのアップダウンカウンタと
   、ポテンショメータの出力を、エンコーダの２分の１回
   転に相当する角度だけ負荷が回転するごとにｌずつ変化
   するよう７）ｍビットのディジタル値に変換するＡ／Ｄ
   　変換器と上位のｍ−１ビツトにはＡ／Ｄ変換器の最下
   位ビット出力を反転させた信号およびアップダウンカウ
   ンタの最上位ビットの出力をアンドゲートで結んだ出力
   をロードし、下位のｎビットにはアップダウンカウンタ
   の出力をロードするｍ　＋　ｎ　−１ビツトのカウンタ
   レジスタと、上位のｍ　−１ビツトには、Ａ／Ｄ変換器
   の上位ｍ−１ビツトをロードし、下位のｎビットにはゼ
   ロをロードするｍ　＋　ｎ−１ビツトのＡ／Ｄ　　レジ
   スタと、カウンタレジスとする特許請求の範囲第１項記
   載の角度計測装置。